地下礦多步驟回采中長(zhǎng)期計(jì)劃編制探究*

戚克明，劉曉明，李冬潔

(1.山東黃金礦業(yè)（萊州）有限公司三山島金礦，山東 煙臺(tái)市 261400；2.長(zhǎng)沙迪邁數(shù)碼科技股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

0 引言

地下礦山中長(zhǎng)期計(jì)劃的編制是一個(gè)復(fù)雜的過程，尤其是多步驟采礦工藝。目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)地下礦中長(zhǎng)期采礦計(jì)劃編制研究，主要利用信息管理與信息系統(tǒng)、實(shí)分析、矩陣論、隨機(jī)過程、離散數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)作為基礎(chǔ)理論，同時(shí)通過三維地質(zhì)模型進(jìn)行采礦計(jì)劃決策，在滿足約束條件的前提下，實(shí)現(xiàn)效益最大化。如JAWED[1]通過線性規(guī)劃法來確定礦塊和礦柱回采時(shí)間，編制礦山中長(zhǎng)期計(jì)劃，MAGDA[2]將投資成本、收益以及時(shí)間成本相結(jié)合，運(yùn)用礦體幾何模型、項(xiàng)目進(jìn)度及開拓成本來最大化凈現(xiàn)值，實(shí)現(xiàn)開拓計(jì)劃的優(yōu)化，賈明濤等[3?4]從地下金屬礦山生產(chǎn)能力和回采工序安全兩方面，確定礦山的中長(zhǎng)期計(jì)劃，云慶夏等[5]通過遺傳算法制定宏觀的地下金屬礦采掘計(jì)劃，之后通過數(shù)學(xué)規(guī)劃對(duì)計(jì)劃進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)地下金屬礦的采掘進(jìn)度優(yōu)化。

上述研究成果并不適用多步驟采礦工藝，未考慮一步驟采場(chǎng)與二步驟采場(chǎng)之間的約束關(guān)系，以及礦山出礦品位的相對(duì)均衡。基于以上問題，本文借助iSchedule生產(chǎn)計(jì)劃編制軟件進(jìn)行探究。

1 iSchedule基本原理及使用流程

1.1 iSchedule生產(chǎn)計(jì)劃編制軟件基本原理

iSchedule生產(chǎn)計(jì)劃編制軟件是建立在Postgres網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)、Dimine三維軟件技術(shù)之上的三維仿真系統(tǒng)。服務(wù)于地下礦山采掘計(jì)劃編制業(yè)務(wù)的一款礦業(yè)軟件。主要功能模塊有：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、基本任務(wù)的建立、短期采掘計(jì)劃、中長(zhǎng)期采掘計(jì)劃、計(jì)劃調(diào)整、報(bào)表輸出、計(jì)劃動(dòng)畫展示、計(jì)劃的下發(fā)和反饋等。

其中中長(zhǎng)期采礦計(jì)劃編制功能采用CPLEX整數(shù)規(guī)劃技術(shù)，選取回采過程中各元素回采金屬量?jī)衄F(xiàn)值之和最大以及各元素回采品位和目標(biāo)品位偏差值之和最小為2項(xiàng)主要目標(biāo)構(gòu)成目標(biāo)函數(shù)，同一個(gè)礦塊中一步驟和二步驟采場(chǎng)不能同時(shí)開采為決策變量[6?14]，以礦山的計(jì)劃礦量、回采邏輯、同時(shí)開采分段等為約束條件。計(jì)劃編制流程如圖1所示。

1.2 iSchedule生產(chǎn)計(jì)劃編制軟件基本流程

使用iSchedule生產(chǎn)計(jì)劃軟件編制地下礦山的計(jì)劃，主要包括四個(gè)基本步驟，計(jì)劃編制流程圖如圖1所示。

（1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。通過dimine軟件，對(duì)采場(chǎng)進(jìn)行劃分，標(biāo)記一步驟和二步驟采場(chǎng)，定義多步驟采礦的基本工序，確定采場(chǎng)的施工設(shè)備以及設(shè)備的基本能力；確定計(jì)劃編制的時(shí)間周期。

（2）確定目標(biāo)與約束。對(duì)于特殊的采場(chǎng)，如需要優(yōu)先開采的采場(chǎng)，可以人為添加優(yōu)先級(jí)、施工隊(duì)伍等基本信息，以確定采場(chǎng)的生產(chǎn)能力，礦山的年計(jì)劃生產(chǎn)礦量以及計(jì)劃出礦品位等基礎(chǔ)信息。

圖1 iSchedule計(jì)劃編制流程

（3）計(jì)劃編制與調(diào)整。通過iSchedule生產(chǎn)計(jì)劃軟件提供的中長(zhǎng)期計(jì)劃編制功能，編制規(guī)定時(shí)間周期內(nèi)的計(jì)劃，并對(duì)編制的結(jié)果進(jìn)行人工調(diào)整，包括數(shù)量和順序的調(diào)整。

（4）成果輸出。根據(jù)已經(jīng)編制的計(jì)劃，用戶可以通過iSchedule生產(chǎn)計(jì)劃軟件查看開采動(dòng)畫，直觀了解實(shí)際的開采過程，并根據(jù)實(shí)際效果進(jìn)行調(diào)整。用戶可以由編制好的計(jì)劃導(dǎo)出各類報(bào)表，如各個(gè)時(shí)期的三級(jí)礦量報(bào)表、計(jì)劃銜接表、礦山出礦量表等。

2 工程實(shí)例

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

贊比亞謙比希銅礦礦區(qū)呈北西-南東走向，長(zhǎng)約150 km，寬約50 km。礦體按走向分為主西礦體和東南礦體兩個(gè)礦山，其中主西礦體已經(jīng)在正常生產(chǎn)，年產(chǎn)礦石150萬t，東南礦體目前正在基建，設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力是330萬t。主要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)銅最低工業(yè)品位為1.35%，礦床平均品位為2.00%，最小可采厚度為2.50m。采用下向分層進(jìn)路充填法，分兩步驟回采，分層高度24m，其中主要生產(chǎn)工序包括上分層切頂、中深孔爆破、下分層出礦、充填[15?18]。

2.2 中長(zhǎng)期計(jì)劃編制

（1）創(chuàng)建礦體三維模型以及塊段模型。中色非礦東南礦體采用Dimine軟件建立三維礦體模型以及塊段模型，以單樣品位Cu 0.8%為邊界品位，同時(shí)考慮工藝的可能性圈定礦化體，采用距離反比法、不同估值半徑對(duì)銅、鉻進(jìn)行估值，估值橢球體與坐標(biāo)軸方向相同，采用礦石平均品位為2.8t/m3。礦體模型以及塊段模型如圖2所示。

圖2 中色非礦東南礦體礦體模型及塊段模型

（2）盤區(qū)以及采場(chǎng)的布置。綜合考慮礦體的賦存狀態(tài)、礦山的設(shè)備情況以及地壓管理等因素，中色非礦東南礦體采用分段高度24m，每200m劃分一個(gè)盤區(qū)，盤區(qū)內(nèi)部劃分成若干個(gè)采場(chǎng)，采場(chǎng)寬度為9m，開采過程中先開采一步驟采場(chǎng)，如圖3所示，圖中綠色為一步驟采場(chǎng)，紅色為二步驟采場(chǎng)。盤區(qū)的施工工藝為：首先對(duì)一步驟采場(chǎng)進(jìn)行回采，回采完成后立即對(duì)空區(qū)進(jìn)行充填，充填體達(dá)到一定強(qiáng)度后，再進(jìn)行二步驟回采。

圖3 中色非礦東南礦體盤區(qū)布置（局部）

（3）計(jì)劃編制。根據(jù)iSchedule生產(chǎn)計(jì)劃軟件編制中長(zhǎng)期計(jì)劃的基本要求，計(jì)劃編制前，首先對(duì)一步驟采場(chǎng)和二步驟采場(chǎng)進(jìn)行標(biāo)記。輸入計(jì)劃編制必要的條件，如，采場(chǎng)生產(chǎn)能力（1000t/d）、年計(jì)劃礦量（200萬t/a）、計(jì)劃出礦品位等，考慮到生產(chǎn)管理因素，需要輸入可選約束條件，如，同一時(shí)間最多開采的采場(chǎng)數(shù)目、同一時(shí)間最多開采的分段、采場(chǎng)可以跨越的分段數(shù)目等。相關(guān)參數(shù)優(yōu)化如圖4所示。

圖4 采礦計(jì)劃優(yōu)化參數(shù)

2.3 結(jié)果分析

iSchedule生產(chǎn)計(jì)劃軟件編制的采礦計(jì)劃如圖5所示。

（1）采場(chǎng)銜接關(guān)系分析。從計(jì)劃編制結(jié)果圖表可以得出，各個(gè)采場(chǎng)之間計(jì)劃銜接緊密，同時(shí)開采的采場(chǎng)數(shù)目始終保持在5個(gè)，部分采場(chǎng)銜接的月份會(huì)大于5個(gè)，屬于月份內(nèi)部的銜接，對(duì)計(jì)劃量并未影響。

（2）盤區(qū)內(nèi)部?jī)刹襟E不能同時(shí)開采分析。從圖表可以看出，計(jì)劃周期內(nèi)不存在同一個(gè)盤區(qū)一步驟和二步驟同時(shí)生產(chǎn)的計(jì)劃。如732-4盤區(qū)，二步驟回采時(shí)間是2020年1月—4月，充填時(shí)間是2020年4月—5月，一步驟采場(chǎng)回采時(shí)間是2020年8月—11月，充填時(shí)間是11月—12月，不存在交叉作業(yè)現(xiàn)象。

（3）總礦量分析。本次計(jì)劃編制回采礦量為200萬t，允許波動(dòng)區(qū)間10%，即計(jì)劃礦量在180萬t～220萬t都是合理的，采用iSchedule軟件編制計(jì)劃總礦量為186.67萬t，計(jì)劃編制結(jié)果合理。

（4）品位波動(dòng)。本次計(jì)劃編制設(shè)置的計(jì)劃品位為1.4，允許波動(dòng)區(qū)間為10%，即計(jì)劃品位在1.26～1.54范圍內(nèi)都是合理的，品位波動(dòng)情況如圖6所示。分析圖6可以看出，計(jì)劃周期內(nèi)，最大品位為1.62，最小品位為1.19，根據(jù)計(jì)劃編制總礦量和單月平均品位計(jì)算全年平均品位為1.467，品位符合計(jì)劃編制的要求。

圖5 中色非礦東南礦體2020年采礦計(jì)劃

圖6 品位波動(dòng)曲線

3 結(jié)語

（1）采用Dimine建立三維礦體模型和塊段模型，同時(shí)與iSchedule生產(chǎn)計(jì)劃軟件相結(jié)合，在編制多步驟采礦計(jì)劃過程中，能夠快速準(zhǔn)確地編制中長(zhǎng)期采礦計(jì)劃，編制計(jì)劃不僅能夠滿足礦山生產(chǎn)的需要，還可以實(shí)現(xiàn)配礦的目的，為礦山持續(xù)生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

（2）采用iSchedule生產(chǎn)計(jì)劃軟件編制礦山采掘計(jì)劃，能夠節(jié)省人力成本，減少計(jì)劃編制人員的時(shí)間投入。